交直流混合微電網中互聯變流器功率控制

謝文超，朱永強，杜少飛，夏瑞華

(新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206)

交直流混合微電網中互聯變流器功率控制

謝文超，朱永強，杜少飛，夏瑞華

(新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206)

針對交直流混合微電網，分析了各子網的下垂特性以及并網和離網2種運行模式下的功率平衡關系。為避免互聯變流器頻繁動作，提高系統電能質量，提出了一種基于單位化處理的交直流混合微電網下垂控制方法，并設計了誤差動作閾值，推導了誤差與交換功率之間的數學關系，實現了互聯變流器的分區段控制。在PSCAD/EMTDC搭建了交直流混合微電網仿真模型對控制策略進行仿真，結果表明，在并網和離網2種運行模式下，互聯變流器在相應區間都能準確、快速地調節直流微電網與交流微電網之間的交換功率，實現交直流混合微電網的穩定運行，驗證了控制策略的可行性。

交直流混合微電網；互聯變流器；混合下垂控制；誤差動作閾值；分區段

0 引 言

隨著新能源發電技術的快速發展，現代電力網絡開始向分布式、智能化和多樣化的方向轉變，電能的流動也從傳統的單向流動變為雙向甚至多向流動[1-2]。為實現大規模分布式電源接入，微電網成為目前有效的解決方案之一[3-5]。現有電力網絡采用交流系統使得交流微電網得到了快速發展。相比于交流微電網，直流微電網所需變流器數量較少，無需考慮并網同期以及無功功率問題，但由于分布式電源和儲能裝置各自的特點不同以及負荷的供電需求不同，具備交流微電網和直流微電網各自優點的交直流混合微電網將會是未來微電網存在的主要形式[6-7]。

分布式電源具有間歇性，因此交直流子網間的功率協調問題顯得尤為重要。文獻[8]提出了離網模式下的混合功率下垂控制策略，以互聯變流器直流側電容的能量波動作為交流接口與直流接口功率傳輸差值，可以快速實現功率平衡，但并離網切換時需變換控制策略；文獻[9]利用歸一化處理，使交直流子網可以較好地按各自額定容量均分負荷，但未考慮負荷與隨機能源小范圍波動時引起互聯變流器頻繁動作與電流方向頻繁切換問題；文獻[10]提出了具備死區控制的交直流混合微電網功率平衡策略，但整個系統冗余復雜，并不能滿足實際工程中所需的實時性。

本文主要研究交直流混合微電網在并網和離網2種模式下的運行特性，提出一種基于單位化處理的交直流混合微電網下垂控制方法。將互聯變流器直流端口電壓與交流端口頻率進行單位化處理后，置于同一坐標系中，建立起直流電壓、交流頻率與互聯變流器交換功率之間的數學聯系；針對負荷與隨機能源波動問題，設計誤差動作閾值，實現交直流混合微電網的功率分區控制，有效避免互聯變流器的不必要開關動作，提高系統電能質量。

1 交直流混合微電網結構及子網控制

1.1 交直流混合微電網結構

交直流混合微電網結構如圖1所示，交流微電網系統中，各分布式電源通過DC/AC或AC/AC變流器與負荷共同接入交流母線，而對于無需逆變器接口的燃氣輪機、柴油機等交流分布式電源則可以有選擇性地直接接入交流微電網系統。直流微電網系統中，分布式電源、儲能裝置等通過AC/DC或DC/DC變流器與負荷共同連接至直流母線，構成直流微電網后，通過集中逆變裝置，如互聯變流器連接至公共電網。

圖1 交直流混合微電網結構

1.2 交直流子網的控制

1.2.1 交流微電網下垂控制

交流微電網中各分布式電源的P-f與Q-U下垂特性如式(1)、(2)所示[11]：

(1)

(2)

由于交流微電網頻率的唯一性，使得有功功率可以較好地在各分布式電源中進行分配；而受線路阻抗等影響，各分布式電源出口電壓不盡相同，使得無功功率的分配會出現偏離，文獻[12-13]提出的補償方法可以較好地解決偏離問題。

1.2.2 直流微電網的下垂控制

與交流微電網相比，直流微電網中無需考慮無功功率以及頻率問題，各分布式電源的P-U下垂特性如式(3)所示[11]：

(3)

與交流微電網的Q-U下垂特性類似，受線路阻抗等影響，直流微電網中各分布式電源出口電壓也不盡相同，從而使得有功功率的分配會出現偏離現象，此問題也可借用文獻[12-13]中的補償方法解決。

2 互聯變流器控制策略

交直流子網內部分布式電源采用如上所述的分散式下垂控制策略解決各自網內的功率分配問題，互聯變流器聯絡交直流子網并按照本節所述控制策略實現網間功率平衡。根據交直流混合微電網是否并入公共電網，將其分為并網和離網2種運行模式。

2.1 并離網運行模式下功率平衡關系

2.1.1 并網模式功率平衡關系

并網模式的交直流混合微電網可以等效為一個“負載”或“電流源”[14]，主網為交流微電網提供頻率和電壓支撐，并通過互聯變流器穩定直流微電網電壓，負荷以及分布式電源的能量波動由主網提供緩沖，最大限度地利用可再生能源[15]。若忽略互聯變流器的損耗，則此模式下的有功功率平衡關系如下所示。

直流微電網：

(4)

交流微電網：

(5)

2.1.2 離網模式功率平衡關系

對于離網模式的交直流混合微電網，所有的負荷需求、交流微電網的頻率和電壓穩定、直流微電網的電壓穩定都需要由分布式電源提供保證，因此交直流子網中的接口變流器以及微電網間的互聯變流器的控制策略對實現離網模式下交直流混合微電網的功率平衡尤為重要。若忽略互聯變流器的損耗，則此模式下的有功功率平衡關系如式(6)、(7)所示

直流微電網：

(6)

交流微電網：

(7)

2.2 互聯變流器控制策略

圖2給出了交直流子網的綜合下垂特性[13]，Pac_max為交流微電網輸出最大功率；fmin、fmax分別為交流微電網頻率允許最小值與最大值；Pdc_max為直流微電網電源輸出最大功率；Udc_min、Udc_max分別為直流微電網電壓允許最小值與最大值。

圖2 交直流子網綜合下垂特性

由于交直流子網綜合下垂特性的縱坐標f與Udc具有不同的量綱，為了建立起互聯變流器的參考交換功率Pref與f、Udc之間的數學聯系，將f與Udc按式(8)、(9)單位化后置于同一坐標系中，如圖3所示。

(8)

(9)

圖3 單位化交直流子網下垂特性

根據交直流子網的運行情況，劃分互聯變流器運行狀態如表1所示，當交流微電網最大輸出功率Pac_max與直流微電網最大輸出功率Pdc_max差異較大時，

表1 互聯變流器運行狀態

Table 1 Operating state of interlinking converter

當負荷小范圍波動時，互聯變流器的頻繁動作及電流方向的頻繁切換，對電力電子裝置壽命及可靠性有著惡劣的影響，并影響電網的電能質量，特別是直流微電網并網點的電能質量，甚至會造成對大電網的沖擊，影響整個電力系統的穩定運行[16]，為此設計誤差動作閾值，將互聯變流器工作區間分段。如圖4所示，圖中ΔH、ΔL分別為誤差動作閾值上限、下限，ΔPic=Pref-Pic為互聯變流器所需傳輸功率參考值與現有傳輸功率之間的差值，按互聯變流器額定容量百分比取值，范圍為-1至1。

圖4 單位化交直流子網分區控制策略

三段式誤差動作控制可用式(10)表示：

(10)

式中SN為互聯變流器額定容量。

只考慮互聯變流器傳輸有功功率的情況，即流向交流側的無功功率參考值Qref=0，則根據式(11)與式(12)可得到互聯變流器電流內環參考值：

(11)

(12)

基于單位化處理的交直流混合微電網下垂控制策略如圖5所示，并離網運行狀態下采用同一控制策略。

圖5 單位化交直流微電網混合下垂控制策略

3 仿真分析

考慮圖1所示交直流混合微電網結構，搭建了仿真電路，驗證交直流混合微電網在直流負載或者交流負載出現不同變化時互聯變流器的功率控制。直流微電網額定容量為0.8 MW，額定電壓為600 V；交流微網額定容量為1 MV·A，額定電壓為380 V；交直流微網中的分布式電源均采用下垂控制，交換功率以交流微網流向直流微網為正。

3.1 并網運行模式仿真

表2 并網模式下交直流混合微電網功率變化

Table 2 Power change of AC/DC hybrid microgrid in grid-connected mode

并網模式下，交流微電網由主網提供頻率支撐，根據式(9)得f*=0.5，由下垂特性方程(1)可知，采用下垂控制的分布式電源輸出功率恒定；0～1.0 s時直流側輕載0.1 MW導致誤差Δ位于圖4區段I；由圖6可以看出，此時互聯變流器交換功率由直流側流向交流側，使誤差Δ減小至區段II。

圖6 并網模式下交直流混合微電網功率變化曲線

圖7 并網模式下交直流混合微電網頻率、電壓變化曲線

1.0～1.5 s時直流側輕載0.15 MW，從圖7可以看出，由于直流微電網的P-U下垂特性，此時直流母線電壓出現跌落，但未能使誤差Δ越出區段II；如圖6所示，此時互聯變流器在1.0～1.5 s時的交換功率不變。

1.5～2.0 s時直流側重載0.6 MW，從圖7可以看出，由于直流微電網的P-U下垂特性使直流母線電壓再次出現跌落，使得誤差Δ越出區段II進入區段III；如圖6所示，此時互聯變流器交換功率由交流側流向直流側，直流母線電壓也由此得到提升，從而使誤差Δ重新進入區段II。

3.2 離網運行模式仿真

表3 離網模式下交直流混合微電網功率變化

Table 3 Power change of AC/DC hybrid microgrid in off-grid mode

圖8 離網模式下交直流混合微電網功率變化曲線

圖9 離網模式下交直流混合微電網頻率、電壓變化曲線

0～1.0 s時直流側輕載0.1 MW，而交流側帶載0.4 MW使得誤差Δ位于圖4區段I；如圖8所示，此時互聯變流器交換功率由直流側流向交流側，從而使誤差Δ減小至區段II。

1.0～1.5 s時直流側輕載0.15 MW，從圖9可以看出，由于直流微電網的P-U下垂特性，直流母線電壓出現跌落，但未能使誤差Δ越出區段II；如圖8所示，此時互聯變流器在1.0～1.5 s時的交換功率不變。

1.5～2.0 s時直流側負載增至0.6 MW，從圖9可以看出，由于直流微電網的P-U下垂特性使直流母線電壓再次出現跌落，使得誤差Δ越出區段II進入區段III；如圖8所示，此時互聯變流器交換功率由交流側流向直流側，同時交流側頻率出現下降而直流母線電壓得到提升，如圖9所示，使得誤差Δ重新進入區段II。

4 結 語

本文分析了交直流混合微電網在并網和離網2種模式下的運行特性，以各子網的功率平衡關系為基礎：

(1)提出了基于單位化處理的交直流微電網混合下垂控制方法，使各子網按額定容量成比例分擔負荷，保證交直流混合微電網中電壓與頻率的穩定；

(2)將互聯變流器工作區間分段，并設計了誤差動作閾值，減少了互聯變流器電流方向的頻繁切換，保證互聯變流器在各個區間的準確調節與高效運行。

隨著微電網的普及，交流微網與直流微網互聯也是未來的一種發展趨勢。交直流微電網之間的功率交換是非常值得關注的問題。互聯變流器的功率控制對混合微電網的穩定運行具有重要意義，本文研究成果在未來的交直流混合微電網的發展中具有很好的應用前景。

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(編輯 張小飛)

Power Control of Interlinking Converter in AC/DC Hybrid Microgrid

XIE Wenchao，ZHU Yongqiang，DU Shaofei，XIA Ruihua

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

According to the AC/DC hybrid microgrid, this paper analyzes the droop characteristics of the subgrid in AC/DC hybrid microgrid as well as the power balance relationship between the grid-connected mode and off-grid mode. To avoid the frequency action of the converters and improve the power quality, this paper proposes a droop control method for AC/DC hybrid microgrid based on unitized processing, designs the error action threshold, derives the mathematic relationship between the unitized error and the exchange power, and realizes the partial control of the interlinking converter. The simulation model of AC/DC hybrid microgrid built in PSCAD/EMTDC shows that, in both the grid-connected mode and the off-grid mode, the interlinking converter can quickly and accurately regulate the exchange power between DC microgrid and AC microgrid, and guarantee the stable operation of AC/DC hybrid microgrid, which verifies the feasibility of the control strategy.

AC/DC hybrid microgrid; interlinking converter; hybrid droop control; error action threshold; partial

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2015AA050102)；新能源電力系統國家重點實驗室自主研究項目(LAPS2016-14)

TM 46

A

1000-7229(2016)10-0009-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.002

2016-06-11

謝文超(1991)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發電與交直流混合微電網技術；

朱永強(1975)，男，副教授，碩士生導師，研究方向為為新能源并網與發電；

杜少飛(1989)，男，碩士研究生，研究方向為微電網結構與控制策略；

夏瑞華(1969)，男，碩士，副教授，研究方向為微機保護與變電站綜合自動化。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)